第二章 单层厂房
2.1 概述
2.1.1 单层厂房的特点（P80）
2.1.2 单层厂房的结构分类
1.按承重结构的材料分类
混合结构（砖柱、钢筋混凝土屋架或木屋架或轻钢屋架）
混凝土结构（钢筋混凝土柱、钢屋架或预应力混凝土屋架）
全钢结构（钢柱、钢屋架）
2.按承重结构的型式分类
排架（等高排架、不等高排架、锯齿形排架）
刚架（门式刚架）
2.2 单层厂房的结构组成与结构布置
2.2.1结构组成
*装配式钢筋混凝土单层厂房结构是由多种构件组成的空间整体：
承重结构：直接承受荷载并将荷载传给其它构件，如屋面板、天窗架、屋架、柱、吊车梁、基础等；
围护结构：主要承受自重及风荷载，如外纵墙、山墙、连系梁、抗风柱、基础梁等。
屋盖结构（分无檩体系和有檩体系两种）
横向平面排架
*主要荷载传递途径：
纵向平面排架
2.2.2 结构布置
*为使单层厂房的构配件达到统一，提高设计标准化，单层厂房的主要尺寸和标高必须符合规定的统一模数制。
1.平面与剖面布置
（1）定位轴线
定位轴线布置的一般原则（P86）
（2）柱网布置
（3）构件的平面布置
*注意要点（P86）
（4）变形缝设置
伸缩缝（上部结构分开，基础不分开；伸缩缝最大间距的规定P87）；
沉降缝（基础及上部结构均分开，沉降缝可兼做伸缩缝）；
防震缝（为减轻厂房震害而采取的措施之一，地震区厂房的伸缩缝和沉降缝均应符合防震缝的要求）。
（5）剖面布置
厂房高度（P88-89）
厂房跨度（P89）
2.支撑布置
*支撑体系是联系屋架、柱等主要构件，并使其构成整体的重要部分，对单层厂房抗震设计尤为重要；
*单层厂房的支撑体系包括屋盖支撑和柱间支撑两部分。
（1）屋盖支撑
①（上、下弦）横向水平支承（P89-90）
*构成刚性框、增强屋面的整体刚度，保证屋架（屋面梁）的侧向稳定，同时将山墙抗风柱所承受的纵向水平力传到两侧柱列上。
②纵向水平支撑
*加强屋盖结构在横向水平面内的刚度，保证横向水平荷载的纵向分布，增强排架的空间工作。
③屋架间的垂直支撑及水平系杆
④天窗架支撑
（2）柱间支撑
3.围护结构布置
（1）抗风柱
（2）圈梁、连系梁、过梁和基础梁（P93-94）
2.3 单层厂房结构主要构件选型
*单层厂房结构设计的三个阶段（P94）
方案设计阶段；技术设计阶段；施工图设计阶段。
2.3.1 国家建筑标准设计图集介绍（P95）
全国通用标准图；大区通用标准图（如中南标、华北标等）；省（直辖市）通用标准图（如河南省标、北京市标、上海市标等）；地（市）通用标准图“如郑州市标、洛阳市标等”。
*要注意选用方法。
2.3.2 屋面主要构件选型
屋面板（P95-96，表2.3）
檩条（P96-97）
选用方法（P97-98）
2.3.3 屋架（屋面梁）选型
屋架的型式（P99表2.5）
屋架的选型方法（P99-100）
2.3.4 吊车梁选型（P100-101表2.6）
2.3.5 常用柱型
柱的截面形式
（a）矩形截面柱、（b）Ⅰ形截面柱、（c）（d）双肢柱、（e）管柱。
*各种截面柱适用范围及材料用量比较（P102表2.7）
柱的截面尺寸（P103-104表2.8-2.9）
2.4 排架内力分析
*排架内力分析的目的（P104）
2.4.1 计算简图
计算单元
2.计算假定与计算简图
*计算假定：（P104-105）
柱上端与屋架（屋面梁）铰接；
柱下端与基础顶面的连接按固定端考虑；
排架横梁为无轴向变形的刚杆，横梁两端处柱的水平位移相等（跨变排架应考虑横梁轴向变形的影响）。
*计算简图：
排架柱的计算高度由固定端算至柱顶铰结点处，变截面柱应考虑上柱对下柱的偏心距的影响；
排架的跨度以厂房轴线为准。
2.4.2 荷载计算
*掌握各种荷载值的计算，荷载的作用位置（荷载的大小、作用点）。
恒荷载
（1）屋盖自重；（2）上柱自重；（3）下柱自重；（4）吊车梁及轨道等自重。
2.活荷载
（1）屋面活荷载（作用位置与屋盖恒载相同）
①屋面均布活荷载；②雪荷载；③屋面积灰荷载。
*当不考虑屋面积灰荷载时，取屋面均布活荷载和雪荷载两者中的较大值；
*当考虑屋面积灰荷载时，取屋面均布活荷载、雪荷载和屋面积灰荷载三者中的较大值。
*雪荷载的计算（P106）：
*全国基本雪压分布图：
3.吊车荷载
*吊车的工作级别（原规范称为吊车的工作制度）：
根据吊车荷载达到其额定值的程度将吊车的工作级别分为A1—A8级。
其中A1—A5级对应于原规范的轻级和中级工作制；
其中A6—A8级对应于原规范的重级和超重级工作制。
（1）吊车竖向荷载（最大竖向荷载、最小竖向荷载）
*吊车的最大轮压标准值（由吊车产品目录或标准查得）
*吊车的最小轮压标准值（按2.2式计算）
*最大竖向荷载、最小竖向荷载（由影响线按2.4式及表2.10求出）：
*、的偏心力矩（P108、2.5式）
*、同时出现，由吊车起重荷载是移动的可以作用左柱、也可以作用于右柱。
*计算排架考虑多台吊车竖向荷载时，对一层吊车单跨厂房的每个排架，参与组合的吊车台数不宜多于2台；对一层吊车多跨厂房的每个排架，不宜多于4台。
（2）吊车横向水平荷载
*吊车横向水平荷载由小车吊起重物后的横向水平制动力引起（P108），作用于吊车梁顶面与柱联结处。
*通过一个大车轮传递的吊车横向水平力标准值：
（2.6）
--横向水平荷载系数（P108--109）
*吊车在排架上产生的最大水平荷载标准值：
（2.7）
*吊车横向水平荷载应同时作用于支承该吊车的两侧柱上；
*考虑多台吊车水平荷载时，对单跨或多跨厂房的每个排架，参与组合的吊车台数不应多于2台。
（3）吊车纵向水平荷载（P109）
4.风荷载
*风荷载标准值
*全国基本风压分布图：
*新的《建筑结构荷载规范》GB50009-2001对风压高度变化系数进行了调整。
*作用于排架上的风荷载（P110-111）：
*风荷载的方向是变化的，设计时既要考虑左风荷载、又要考虑右风荷载。
2.4.3 排架内力分析
*不考虑厂房整体空间作用排架计算方法：
1.等高排架内力分析（剪力分配法）
（1）阶梯形柱的位移计算
（2.12）
可查P301附录Ⅰ
2.柱顶水平集中力作用下的内力（P112）
（12.15）
3.任意荷载作用下的内力
按P112—113步骤（1）-（3），并查P301—303附图计算。
［例题2.2］
2.4.4 不等高排架内力分析
*采用力法求解（P114--116）
2.4.5 排架内力组合
*求出起控制作用的截面的最不利内力，作为柱及基础设计的依据。
1.控制截面（P116--117）
上柱柱底截面：Ⅰ-Ⅰ截面；
下柱牛腿顶面：Ⅱ-Ⅱ截面；
柱底截面：Ⅲ-Ⅲ截面。
2.荷载效应组合
*《建筑结构荷载规范》GB50009-2001的规定（简要复习）
（1）作用（荷载）效应的基本组合：
对于基本组合，荷载效应组合的设计值应从下列组合值中取最不利值确定：
①由可变荷载效应控制的组合：
式中 --永久荷载的标准值；
--第1个可变荷载的标准值，该可变荷载标准值的效应大于其它任意第个可变荷载标准值的效应；
--其它第个可变荷载标准值；
--永久荷载分项系数；
--第1个和其它第个可变荷载的分项系数；
--永久荷载、第1个和其它第个可变荷载的作用（荷载）效应系数；
--可变荷载的组合值系数，对民用建筑的楼面和屋面均布活荷载，一般情况下，对书库、档案库、密集书柜库、通风机房、电梯机房等。其它可变荷载的组合值系数按有关规定选用；
--参与组合的可变荷载数。
对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则：
当仅有一个可变荷载时：
②由永久荷载效应控制的组合：
（2）基本组合的荷载分项系数取值的规定：
①永久荷载分项系数
当其效应对结构不利时：对由可变荷载效应控制的组合，；对由永久荷载效应控制的组合，。当其效应对结构有利时：一般情况下，应取；对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取。
②可变荷载的分项系数
一般情况下，应取；对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载，应取。
（3）对常见的住宅、办公楼等民用建筑，当仅有一个可变荷载作用时，其承载能力极限状态设计表达式可简化为：
①由可变荷载效应控制的组合：
②由永久荷载效应控制的组合：
*单层厂房的荷载效应组合：
（1）组合原则
①由可变荷载效应控制的组合：
当有多个可变荷载作用时：
当只有一个可变荷载作用时：
②由永久荷载效应控制的组合：
*《建筑结构荷载规范》GB50009-2001中3.2.1—3.2.4“荷载效应组合”条文说明指出：
与原规范不同，在考虑组合时，摒弃了“遇风组合”的惯例（教材P117），要求所有可变荷载当作为伴随荷载时，都必须以其组合值为代表值，而不仅仅限于有风荷载参与组合的情况。至于对组合值系数，除风荷载仍取外，对其它可变荷载，目前建议组一取。
当设计一般排架和框架时，为便于于算目的，仍允许采用简化的组合规则，也即对所有参与组合的可变荷载的效应设计值，乘以一个统一的组合系数，但考虑到原规范中的组合系数0.85在某些情况下偏于不安全，因此将它提高到0.9。
在应用荷载组合式时，为减轻计算工作量，当考虑以自重为主时，对可变荷载容许只考虑与结构自重方向一致的竖向荷载，例如雪荷载、吊车竖向荷载。
（2）组合种类
根据以上原则，对不考虑抗震设防的单层厂房结构，按承载力极限状态进行内力分析时，需进行以下几种组合：
由可变荷载效应控制的组合：
1.2永久荷载标准值+0.91.4(风荷载标准值+吊车荷载标准值+屋面活荷载标准值)；
1.2永久荷载标准值+0.91.4(风荷载标准值+屋面活荷载标准值)；
1.2永久荷载标准值+0.91.4(风荷载标准值+吊车荷载标准值)；
1.2永久荷载标准值+1.4任意一个可变荷载标准值（风荷载、吊车荷载或屋面活荷载）；
由永久荷载效应控制的组合：
1.35永久荷载标准值+1.4(0.6风荷载标准值+0.7吊车荷载标准值+0.7屋面活荷载标准值)。
3. 内力组合（P117--118）
（1）及相应的、；
（2）及相应的、；
（3）及相应的、；
（4）及相应的、。
*注意要点：P117—118（1）-（6）
2.4.6 排架内力分析考虑整体空间工作的概念
1.厂房整体空间工作的概念
*在吊车荷载作用下，可考虑厂房的整体空间作用。
2. 吊车荷载作用下厂房的整体空间作用的计算
（1）单个荷载作用下厂房整体空间作用分配系数
（2.22）
*的确定及影响因素（P119 ①--④）
（2）单跨厂房排架在吊车荷载作用下的空间作用分配系数
根据大量的实测资料与统计分析得到了一组可靠的空间作用分配系数的设计控制值（P120表2.13）
（3）多跨厂房排架的空间作用分配系数
①多跨等高排架：
应考虑各跨跨度、跨数、屋盖情况的影响
（2.24）
*对于两端有山墙的两跨或两跨以上的等高厂房，当屋盖为大型屋面板无檩体系，且吊车起重量小于30t时，可按柱顶为不动铰支承进行计算。
②多跨不等高排架：
除考虑各跨跨度、跨数、屋盖情况的影响外，尚应考虑各跨间高差的影响
（2.25）
（4）吊车荷载作用下厂房整体空间作用的计算方法
2.4.7 排架计算中的几个问题
1.纵向柱距不等的排架内力分析（P121--122）
2.吊车梁反力差引起的纵向力矩（P122）
2.4.8 排架的横向水平位移验算
2.4.9 单层钢筋混凝土柱厂房抗震计算（由抗震课讲）
2.5 单层厂房结构主要构件设计
2.5.1 钢筋混凝土屋架设计要点
1.荷载及荷载组合
（1）荷载
恒荷载：屋面构造层（面层、保温层、防水层、隔气层等）、屋面板及嵌缝、天窗架、屋架及支撑重（P132）；
活荷载：屋面活荷载（雪荷载、积灰荷载）、吊挂吊车荷载。
（2）荷载组合（注意要点 P132①-③）
全跨恒荷载+全跨活荷载；
全跨恒荷载+半跨活荷载；
全跨恒荷载+半跨安装荷载。
2.计算简图和内力分析 P133（1）--（4）：
*次内力计算步骤：
按铰接桁架求各杆内力（主内力）；
分析桁架在主内力作用下的变形和节点相对变位；
计算由此相对变位引起的各杆件固端弯矩；
用力矩分配法计算各杆件的次内力。
*近似考虑次内力影响的步骤：（P134①-③）
3.杆件截面设计
（1）上弦杆截面设计
弯矩作用平面（屋架平面内）：按偏心受压构件计算；
垂直弯矩作用平面（屋架平面外）：按轴心受压构件计算；
注意构件计算长度的取值。
（2）下弦杆截面设计
按轴心受拉构件或偏心受拉构件计算；
注意对下弦杆进行抗裂验算或裂缝宽度验算。
（3）腹杆截面设计
按轴心受拉或轴心受压构件计算；
注意构件的计算长度。
4.节点构造
（1）端节点，（2）中间节点，（P134--135）
5.屋架翻身扶直与吊装的验算
2.5.2 钢筋混凝土柱设计
钢筋混凝土柱设计内容（P136（1）--（5））
1.矩形和Ⅰ形截面柱设计
按对称配筋偏心受压截面设计（、组合，较小、一般可不考虑）
柱的计算长度（P137表2.22）
吊装、运输阶段的承载力和裂缝宽度验算
《混凝土结构设计规范》规定：“预制构件尚应按制作、运输及安装时相应的荷载值进行施工阶段的验算。预制构件吊装的验算，应将构件自重乘以动力系数，动力系数可取1.5，但可根据构件吊装时的受力情况适当增减。”
①吊装承载力验算
*荷载值、、按构件自重标准值计算并乘以动力系数1.5；
*控制截面：A-A、B-B、C-C。
②裂缝宽度验算
（2.55）
--吊装时最大弯矩标准值（乘以动力系数1.5）；
--内力臂系数，取=0.87。
--不需要进行裂缝宽度的钢筋的最大允许应力。
--最大裂宽度限值，取0.3（0.4）mm或0.2mm。
2.牛腿设计
*牛腿是支承吊车荷载的重要构件（承受很大的集中荷载和动力作用）应保证其承载力和抗裂性要求；
*牛腿设计的主要内容：确定牛腿的截面尺寸、配筋计算、构造设计。
*牛腿试验研究的主要成果：
时称为长牛腿，按悬臂梁设计；
时称为短牛腿（悬臂深梁），按牛腿设计。
（1）牛腿的受力特点和破坏形态
弹性阶段的应力分布
牛腿顶部上边缘附近的主拉应力迹线大体与上边缘平行；牛腿斜边附近的主压应力迹线大体与ab连线平行；上柱根部与牛腿交界面处存在应力集中现象。
②裂缝的出现与开展
在极限荷载的20%-40%时首先出现竖向裂缝①；在极限荷载的40%-60%时，在加载垫板内侧出现第一条斜裂缝②；接近破坏时（约为破坏荷载的80%），突然出现第二条斜裂缝③，预示牛腿即将破坏。（P138及图2.78）
③破坏形态
弯压破坏（图2.79a）；
斜压破坏（图2.79b、c）；
剪切破坏（图2.79d）；
此外尚有：混凝土局压破坏（图2.79e）、撕裂破坏或保护层脱落（图2.79f）、加载杯根部受拉破坏（图2.79g）等局部破坏形态。
（2）牛腿截面尺寸的确定（防止牛腿出现斜裂缝）
（2.56）
（3）牛腿承载力计算
牛腿承载力计算简图（带斜压杆的三角形析桁架）
①纵向受拉钢筋的确定
在牛腿中，由承受竖向力所需的受拉钢筋截面面积和承受水平拉力所需的锚筋截面面积所组成的纵向受力钢筋的总截面面积，应符合下列规定（教材2.59式略有误，请改正）：
（2.59）
当时，取。
式中--作用在牛腿顶部的竖向力设计值；
--作用在牛腿顶部的水平拉力设计值。
*承受吊车荷载的牛腿，由于吊车横向水平荷载在吊车梁顶面直接传递到柱上，不由牛腿承受（即不考虑）；在高低排架柱支承屋架的牛腿，在风荷载或地震荷载作用时，将产作用于牛腿顶面的水平力（此时应考虑的影响）。
②水平箍筋和弯起钢筋的构造要求（P141）
3.抗风柱的设计（P141-142）
抗风柱的尺寸要求
抗风柱的内力计算
计算简图（底部为固定端支座、上端为不动钦支座）；
风荷载计算 （2.60）
4.柱间支撑设计
（1）柱间支撑的计算
计算单元及作用荷载：取一个温度区段，风荷载、吊车纵向水平制动力化为集中荷载；
内力计算：按铰接桁架计算，交叉斜杆只在受拉时起作用，在受压时不起作用；
承载力验算
（2）柱间支撑的构造
*结合《钢结构》课学习。
5.矩形和Ⅰ形截面柱的构造
材料和截面尺寸；
配筋构造；
柱与其它构件的连接构造做法
6.预埋件设计
（1）预理件的组成与构造要求
（2）预理件的计算
2.5.3 钢筋混凝土柱下独立基础设计
概述：柱下基础的类型（P149）
2.柱下扩展基础设计
设计内容：确定基础底面尺寸；确定基础截面高度；计算基础底板钢筋；构造处理及绘制施工图。
《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002的有关规定：
按地基承载力确定基础底面面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时，传至基础或承台底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。
在确定基础或桩台高度、支挡结构截面、计算基础或支挡结构内力、确定配筋和验算材料强度时，上部结构传来的荷载效应组合和相应的基底反力，应按承载力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数。
正常使用极限状态下，荷载效应的标准组合应用下式表示：
式中--按永久荷载标准值计算的荷载效应值；
--按可变荷载标准值计算的荷载效应值；
--可变荷载的组合值系数。
承载能力极限状态下，由可变荷载效应控制的基本组合设计值，应用下式表达：
式中--永久荷载的分项系数；
--第个可变荷载的分项系数。
对由永久荷载效应控制的基本组合，也可采用简化规则，荷载效应基本组合的设计值按下式确定：
式中--结构构件抗力的设计值；
--荷载效应的标准组合值。
（1）独立基础底面尺寸的确定（按荷载效应的标准组合和地基承载力特征值计算）
①轴心受压柱下基础
（2.71）
式中--相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压应力值；
--相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值；
--基础自重和基础上的土重，，为基础自重和其上土重的平均重度，可近似取=20-22kN/m3；
--基础底面面积；
--修正后的地基承载力特征值，当基础宽度大街3m或埋置深度大于0.5m时，按下式修正：
式中--地基承载力特征值，可由载荷试验或其它原位测试、经验值等方法确定；
、--基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，按基底下土的类别由《建筑地基基础设计规范》确定；
--基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度；
--基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度；
--基础底面宽度（m），当基宽小于3m按3m取值，大于6m按6m取值；
--基础埋置深度（m），一般自室外标高算起，在填方整平地区，可自填土地面标高算起，但填土在上部结构施工后完成时，应从天然地面标高算起。对于地下室，如采用箱形基础或筏基时，基础埋置深度自室外地面标高算起；当采用独立基础或条形基础时，应从室内地面标高算起。
（2.72）
②偏心受压柱下基础
*偏心受压柱下基础底面应力：
（2.73）
式中 --相应于荷载效应标准组合时，作用于基础底面的力矩值；
--基础底面的抵抗矩，；
令代入（2.73）式：
（2.74）
由（2.74）式可知，当时，，地基反力分布图形为梯形；当时，，地基反力分布图形为三角形；当时，，说明基础底面积的一部分将产生拉应力，与实际不符。
当时，应按下式计算：
（2.75）
*偏心受压柱下基础底面尺寸应同时满足下列要求：
（2.76）
（2.77）
*偏心受压柱下基础底面尺寸计算步骤（P151）
（2）独立基础高度的确定（按荷载效应的基本组合，采用材料强度的设计值计算）
*对矩形（Ⅰ形）截面柱的矩形基础，应验算柱与基础交接处以及基础变阶处的受冲切承载力：
*计算公式（2.78—2.80式）
* --扣除基础自重及其上土重后相应于荷载效应基本组合时的地基土单位面积净反力，对偏心受压基础可取基础边缘处最大地基土单位面积净反力。
*不进行受剪承载力计算（即不采用教材P152中的2.81式）。
（3）底板受力钢筋的计算（P153-154）
*验算柱与基础交接处及变阶处截面，计算两个方向的弯矩，Ⅰ-Ⅰ截面和Ⅱ-Ⅱ截面。
（4）构造要求（P154-155）
①一般要求，②杯口形式和柱的插入深度，③杯口配筋构造。
3.高杯口基础设计要点（P155-156）
2.5.4 吊车梁设计点
1.吊车梁的受力特点（P156）
2.吊车梁的构造要求（P158-159）
（1）材料，（2）截面尺寸，（3）连接构造，（4）配筋构造（纵向钢筋、箍筋、端部构造钢筋）。
3.钢筋混凝土等截面吊车梁的计算要点
一般规定
静力计算：正截面、斜截面承载力计算；变形和裂缝宽度验算；
疲劳强度验算
计算要点
静力承载力计算（受弯、受剪、受扭）
变形及裂缝宽度验算
正截面疲劳强度验算
斜截面疲劳强度验算
2.6 单层厂房结构设计实例
